Перспективные направления исследований в области архитектуры ВС

Основные направления исследований в области архитектуры ВМ и ВС можно ус­ловно разделить на две группы: эволюционные и революционные. К первой груп­пе следует отнести исследования, целью которых является совершенствование методов реализации уже достаточно известных идей. Изыскания, условно назван­ные революционными, направлены на создание совершенно новых архитектур, принципиально отличных от уже ставшей традиционной фон-неймановской ар­хитектуры.

Большинство из исследований, относимых к эволюционным, связано с совер­шенствованием архитектуры микропроцессоров (МП). В принципе кардинально новых архитектурных подходов в микропроцессорах сравнительно мало. Основ­ные идеи, лежащие в основе современных МП, были выдвинуты много лет тому назад, но из-за несовершенства технологии и высокой стоимости реализации на­шли применение только в больших универсальных ВМ (мэйнфреймах) и супер­ЭВМ. Наиболее значимые из изменений в архитектуре МП связаны с повышением уровня параллелизма на уровне команд (возможности одновременного выпол­нения нескольких команд). Здесь в первую очередь следует упомянуть конвейери­зацию, суперскалярную обработку и архитектуру с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). После успешного переноса на МП глобальных архитектурных подходов «больших» систем основные усилия исследователей теперь направлены на частные архитектурные изменения. Примерами таких эволюционных архитек­турных изменений могут служить: усовершенствованные методы предсказания переходов в конвейере команд, повышение частоты успешных обращений к кэш­памяти за счет усложненных способов буферизации и т. п.

Наблюдаемые нами достижения в области вычислительных средств широкого применения пока обусловлены именно «эволюционными» исследованиями. Од­нако уже сейчас очевидно, что, оставаясь в рамках традиционных архитектур, мы довольно скоро натолкнемся на технологические ограничения. Один из путей пре­одоления технологического барьера лежит в области нетрадиционных подходов. Исследования, проводимые в этом направлении, по нашей классификации отне­сены к «революционным». Справедливость такого утверждения подтверждается первыми образцами ВС с нетрадиционной архитектурой.

Оценивая перспективы эволюционного и революционного развития вычисли­тельной техники, можно утверждать, что на ближайшее время наибольшего про­гресса можно ожидать на пути использования идей параллелизма на всех его уров­нях и создания эффективной иерархии запоминающих устройств.

 

2. Иерархия запоминающих устройств. Расслоение памяти.

Расслоение памяти

Помимо податливости к наращиванию емкости, блочное построение памяти обла­ет еще одним достоинством — позволяет сократить время доступа к информа­ции. Это возможно благодаря потенциальному параллелизму, присущему блоч­ной организации. Большей скорости доступа можно достичь за счет одновременного Доступа ко многим банкам памяти. Одна из используемых для этого методик называется расслоением памяти. В ее основе лежит так называемое чередование ад­ресов (address interleaving), заключающееся в изменении системы распределения адресов между банками памяти.

Прием чередования адресов базируется на ранее рассмотренном свойстве локальности по обращению, согласно которому последовательный доступ в память обычно производится к ячейкам, имеющим смежные адреса. Иными словами, если в данный момент выполняется обращение к ячейке с адресом 5, то следующее об­ращение, вероятнее всего, будет к ячейке с адресом 6, затем 7 и т. д. Чередование адресов обеспечивается за счет циклического разбиения адреса. В нашем примере (рис.43) для выбора банка используются два младших разряда адреса (А_1, А₀), а для выбора ячейки в банке — 7 старших разрядов (A_s-A₂).

 

 

1. Архитектура системы команд. Классификация архитектур системы команд.

Архитектура системы команд

 

Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определять те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту. АСК можно рассматривать как линию согласования нужд разработчиков программного обеспечения с возможностями создателей аппаратуры вычислительной машины (рис. 20).

 

Рис.20. Архитектура системы команд как интерфейс

между программным и аппаратным обеспечением

 

В конечном итоге, цель тех и других - реализация вычислений наиболее эффективным образом, то есть за минимальное время, и здесь важнейшую роль играет правильный выбор архитектуры системы команд.

В упрощенной трактовке время выполнения программы (Т_выч) можно определить через число команд в программе (N_ком),среднее количество тактов процессора, приходящихся на одну команду (CPI),и длительность тактового периода _пр:

T_выч=N_ком CPI _np.

 

Каждая из составляющих выражения зависит от одних аспектов архитектуры системы команд и, в свою очередь, влияет на другие (рис. 21), что свидетельствует о необходимости чрезвычайно ответственного подхода к выбору АСК.

 

Рис.21. Взаимосвязь между системой команд и факторами, определяющими эффективность вычислений

 

Общая характеристика архитектуры системы команд вычислительной машины определяется следующими факторами:

1. Какого вида данные будут представлены в вычислительной машине и в

какой форме?

2. Где эти данные могут храниться помимо основной памяти?

3. Каким образом будет осуществляться доступ к данным?

4. Какие операции могут быть выполнены над данными?

5. Сколько операндов может присутствовать в команде?

6. Как будет определяться адрес очередной команды?

7. Каким образом будут закодированы команды?

Рассмотрим наиболее распространенные архитектуры системы команд, как в описательном плане, так и с позиций эффективности. Далее приводятся доступные статистические данные, позволяющие дополнить качественный анализ различных АСК количественными показателями. Большинство представленных статистических данных почерпнуто из общепризнанного источника — публикаций Д. Хеннеси и Д. Паттерсона приведенных в [2]. Данные были получены в результате реализации на вычислительной машине DEC VAX трех программных продуктов: компилятора с языка С GCC, текстового редактора ТеХ и системы автоматизированного проектирования Spice. Считается, что GCC и ТеХ показательны для программных приложений, где превалируют целочисленные вычисления и обработка текстов, a Spice может рассматриваться как типичный представитель вычислений с вещественными числами. С учетом того, что архитектура вычислительной машины VAX в известном смысле уже устарела, Хеннеси и Паттерсоном, а также приверженцами их методики были проведены дополнительные исследования, где программы GCC, Spice и ТеХ выполнялись на более современной ВМ, в частности MIPS R2000. Доступные данные для этого варианта также приводятся.